WO2021052638A1 - Gaskolbenspeicher sowie verfahren zur gas-befüllung eines gaskolbenspeichers - Google Patents

Gaskolbenspeicher sowie verfahren zur gas-befüllung eines gaskolbenspeichers Download PDF

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WO2021052638A1
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Roman Rausch
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Audi Ag
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    • F16F9/00Springs, vibration-dampers, shock-absorbers, or similarly-constructed movement-dampers using a fluid or the equivalent as damping medium
    • F16F9/32Details
    • F16F9/43Filling or drainage arrangements, e.g. for supply of gas
    • F16F9/435Filling or drainage arrangements, e.g. for supply of gas via opening in cylinder wall
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    • F15B2201/405Housings

Definitions

  • the invention relates to a gas piston accumulator according to the preamble of claim 1 and a method for gas filling such a gas piston accumulator according to claim 9.
  • a generic gas piston accumulator is designed as a piston-cylinder unit, the hydraulic space of which can be connected to a hydraulic line.
  • a pressure piston preloaded with a preloading force acts on the hydraulic space in order to apply a reservoir pressure to the hydraulic fluid in the hydraulic line.
  • the pretensioning force is achieved by a gas pressure in a gas space that is separated from the hydraulic space by the pressure piston.
  • the gas piston accumulator known from the prior art has a single-walled construction with a cylinder wall, on the upper annular shoulder of which a filling valve is installed.
  • High demands are placed on the cylinder wall of the single-walled gas piston accumulator:
  • the inner circumference of the cylinder wall forms a piston running surface along which the pressure piston moves axially during the loading / unloading process of the gas piston accumulator.
  • the cylinder wall of the gas piston accumulator also acts in a double function as a load-bearing structure, so that its wall thickness and the choice of material must be adapted accordingly.
  • the installation of a filling valve in the gas piston accumulator is associated with high manufacturing costs and high costs.
  • a shock absorber and a method for building up pressure in the shock absorber are known from US Pat. No. 3,287,008 A. From DE 36 03 075 A1 a gas spring is known.
  • the object of the invention is to provide a gas piston accumulator that can be made available with reduced manufacturing effort compared to the prior art.
  • the gas piston memory is no longer single-walled, but rather double-walled, with an inner tube in which the pressure piston is axially guided, and an outer tube that moves the inner tube at a distance to form an annular gap.
  • the inner tube primarily forms the piston running surface for the pressure piston.
  • the outer tube acts functionally independently of the inner tube, mainly as a load-bearing structure.
  • the pressure piston can subdivide the inside of the inner tube into the hydraulic space and the gas space.
  • the ring gap between the inner and outer pipe is separated from the hydraulic chamber in a fluid and pressure-tight manner.
  • the annular gap is fluidically connected to the gas space.
  • at least one flow passage can be provided with which the gas space formed in the inner tube is fluidically connected to the annular gap.
  • a filling method can be used, which is used in a similar form in the field of shock absorber production.
  • the gas piston accumulator can initially be installed completely and without pressure.
  • the outer tube can then be pierced in one piercing step.
  • the annular gap and the gas space connected to it in terms of flow can be evacuated through the piercing hole in the outer pipe. be ized. Following this evacuation, the gas space can be filled with nitrogen. After filling with nitrogen, the piercing hole can be closed again with a spot weld or the like. Due to the double-walled nature of the gas piston accumulator, this type of filling is particularly suitable, since the outer tube no longer represents a functional surface (i.e. pressure piston running surface) and deformation of the outer tube due to the piercing process step is no longer functionally relevant.
  • the housing of the gas piston accumulator can be completely welded, such as a shock absorber. Sealing rings between housing parts can be omitted and the gas piston accumulator housing can be implemented completely permeation-free. Furthermore, the preload pressure of the gas spring piston can be set exactly (due to small tolerances). In addition, a locking ring acting as a mechanical stop can be omitted.
  • the hydraulic space of the inner tube can be limited in the axial direction by a hydraulic-side cylinder bottom of the Gaskolbenspei chers.
  • the opening (oil inlet) of the hydraulic line is formed in the cylinder base on the hydraulic side.
  • the gas space located in the inner tube can be limited in the axial direction by a gas-side cylinder base of the gas piston accumulator.
  • the gas-side cylinder bottom and the hydraulic-side cylinder bottom are arranged on the opposite side of the gas piston accumulator. Both cylinder heads (or at least one of them) can act as mechanical piston stops for the pressure piston.
  • the two cylinder bottoms together with the outer tube can form an outer pressure piston accumulator housing in which the outer tube merges with the same material and / or as one piece into the two axially opposite cylinder bottoms.
  • a dimensionally stable fastening of the inner tube in the gas piston accumulator is of great importance with regard to perfect operability.
  • a pipe end on the hydraulic side of the inner pipe can be widened conically in the direction of the cylinder base on the hydraulic side in order to bridge the annular gap.
  • the conically widened pipe end of the inner pipe on the hydraulic side can be attached to the inner circumference of the outer pipe and / or to the cylinder base on the hydraulic side.
  • the inner pipe can also be widened ko cally at its gas-side pipe end, whereby the annular gap can be bridged.
  • the gas-side tube end can also be attached to the inner circumference of the outer tube and / or to the gas-side cylinder base.
  • the flow passage between the radial gap and the gas space can preferably be formed in the conically widened gas-side pipe end of the inner pipe.
  • the inner circumference of the inner tube forms the pressure piston running surface, while the outer tube is functionally decoupled from the pressure piston.
  • the pressure piston running surface formed in the inner tube can preferably be completely smooth cylindrical, without an annular groove to order a locking ring, which acts as a mechanical pressure piston stop in the prior art.
  • the pressure piston in a completely emptied state, the pressure piston is pressed against the cylinder base on the hydraulic side with the pretensioning force generated in the gas space.
  • the problem arises that the pressure piston tends to adhere to the base of the hydraulic side cylinder due to a suction cup effect. This can lead to pressure peaks and / or pressure fluctuations in hydraulic operation.
  • the piston surface facing the cylinder base on the hydraulic side is divided into an axially recessed base surface from which a stop structure protrudes via an axial offset.
  • the entire pressure piston area cannot be in pressure contact with the hydraulic cylinder base over a large area, but only the stop structure with a smaller area.
  • the stop structure of the plunger together with the hydraulic side cylinder bottom and the inner tube a filling chamber be limited.
  • the gas piston accumulator can be completely filled with hydraulic fluid after a charging process.
  • the pressure piston When fully filled with hydraulic fluid, the pressure piston is pressed against the preload force up to the pressure system against the gas-side cylinder base. If the contact area between the pressure piston and the gas-side cylinder base is excessively large, there is also the problem that, due to a suction cup effect, the pressure piston initially remains stuck to the gas-side cylinder base even after the charging process has been completed (i.e. at the beginning of an unloading process).
  • the pressure piston can be divided up on its gas side into an axially recessed base area from which a stop structure protrudes via an axial offset.
  • the stop structure When completely filled with hydraulic fluid (that is, the pressure piston is pressurized with the gas-side cylinder base), the stop structure, together with the gas-side cylinder base and the inner tube, can delimit a filling chamber. With the start of the discharge process, gas can relax from the annular gap via the flow passage into the inner tube and flow into the gas-side filling chamber, which detaches the pressure piston from the gas-side cylinder base.
  • the contact area of the pressure piston on the respective cylinder base is reduced to a minimum by a special piston geometry. Nevertheless, it must be ensured that the forces acting on the pressure piston are uniformly transmitted, so that the pressure piston itself is only subject to a low bending load. is set.
  • the piston material can be made of fiber-reinforced plastic with regard to a lightweight piston construction.
  • the stop structure formed on the pressure piston can have a sleeve-shaped extension protruding from the pressure piston base surface.
  • the sleeve-shaped extension can preferably be arranged concentrically to the pressure piston circumference and / or coaxially to a gas piston accumulator longitudinal axis.
  • the gas-side / hydraulic-side filling chamber can extend continuously in the circumferential direction in a ring-shaped manner around the sleeve-shaped extension.
  • the stop structure has additional radial webs that protrude from the outer circumference of the sleeve-shaped extension. Their radially outer web sides are arranged around a radial offset within the pressure piston circumference in order to ensure a filling chamber that is continuously open in the circumferential direction.
  • the sleeve-shaped extension of the stop structure of the pressure piston can define a blind hole-like recess radially on the inside.
  • the free annular end face of the sleeve-shaped extension of the pressure piston stop structure can be in pressure contact with the respective cylinder base.
  • the blind hole-like depression is therefore, in the state completely emptied of hydraulic fluid or in the completely filled state with hydraulic fluid, decoupled in a fluid-tight manner from the filling chamber located radially outside the sleeve-shaped extension.
  • 1 shows a gas piston accumulator in a sectional illustration
  • 2 and 3 each partial sectional views of the Gaskolbenspei chers in different operating positions
  • FIG. 1 Illustrate gas piston accumulator.
  • a gas piston accumulator is shown, which is designed as a piston-cylinder unit.
  • the gas piston accumulator is double-walled in FIG. 1 with an inner tube 1 and an outer tube 3.
  • a pressure piston 5 is axially guided in the inner tube 1.
  • the pressure piston 5 divides the pipe interior of the inner pipe 1 into a lower flydraulic space 7 and an upper gas space 9.
  • the inner pipe 1 is spaced apart from the outer pipe 3 at a radial distance, forming an annular gap 13.
  • the gas space 9 located in the inner tube 1 is delimited upward in the axial direction by a cylinder base 15 on the gas side.
  • the hydraulic space 7 located in the inner tube 1 is delimited downward in the axial direction by a cylinder base 17 on the hydraulic side, in which an opening (oil inlet) 19 of a hydraulic line 21 is formed.
  • the two cylinder bottoms 15, 17 together with the outer tube 3 form an outer cylindrical gas piston storage housing 23.
  • a pipe end 25 on the hydraulic side of the inner pipe 1 is widened conically in the direction of the cylinder base 17 on the hydraulic side, as a result of which the annular gap 13 is bridged radially outward.
  • the conically widened pipe end 25 on the hydraulic side is welded to the 17 area between the outer tube 3 and the hydraulic side cylinder base in a pressure-resistant and liquid-tight welded connection at the inner corner.
  • a gas-side, upper pipe end 27 is widened conically in the direction of the gas-side cylinder bottom 15, whereby the ring gap 13 is bridged radially outward.
  • the conically widened gas-side pipe end 27 is fastened in FIG. 1 or 3 to the inner corner area between the outer pipe 3 and the gas-side cylinder base 15. In this way, the overall result is a dimensionally stable double-wall structure in which less material is required compared to a single-wall structure.
  • the inner circumference of the inner tube 1, which acts as a pressure piston running surface, is designed to be completely smooth cylindrical between the two tube ends 25, 27.
  • the gas piston accumulator is shown in a completely oil-empty state after a discharge process.
  • the pressure piston 5 is pressed against the cylinder base 17 on the hydraulic side by a pretensioning force Fv which is generated by a gas pressure p gas in the gas space 9.
  • Fv pretensioning force
  • the pressure piston 5 In order to support a detachment of the pressure piston 5 from the hydraulic cylinder base 17 at the start of the charging process, the pressure piston 5 has a small-area stop structure 29 which protrudes from an axially recessed piston body 31 via an axial offset Aa (FIG. 1). In the completely emptied state according to FIG. 3, the pressure piston 5 is therefore supported on the cylinder base 17 on the hydraulic side via its small-area stop structure 29. As can also be seen from FIG. 3, a hydraulic filling chamber 33 is defined between the piston base body 31, the stop structure 29, the inner tube inner circumference and the hydraulic cylinder base 17 in the oil-empty state.
  • hydraulic fluid therefore first flows from the hydraulic line 21 into the filling chamber 33 in order to support the detachment of the pressure piston 5 from the cylinder base 17 on the hydraulic side.
  • the gas piston accumulator is completely filled with hydraulic fluid after a charging process has taken place.
  • the pressure piston 5 is pressed against the pretensioning force Fv in the pressure system against the gas-side cylinder base 15.
  • the pressure piston 5 On its gas side, the pressure piston 5 likewise has a stop structure 29 (FIG. 1) which protrudes from the piston base body 31 by an axial offset Aa.
  • the stop structure 29 defines, together with the inner tube inner circumference, the piston base body 31 and the gas-side cylinder base 15, a gas-side filling chamber 35.
  • the gas expands and flows from the annular gap 13 via the Flow passage 10 into the inner tube 1 and further into the gas-side filling chamber 35 in order to support a detachment of the pressure piston 5 from the gas-side cylinder base 15.
  • the pressure piston 5 therefore has on both sides, that is, both on its hydraulic side and on its gas side, a surface-reduced stop structure 29 which can be brought into abutment with the associated cylinder base 15, 17.
  • the pressure piston 5 has a circumferential piston ring seal 37 on its piston outer circumference in order to ensure easy axial adjustment of the pressure piston 5 along the pressure piston running surface in the inner tube 1.
  • the stop structure 29 on the gas side (that is, Untersei te) of the pressure piston 5 is shown. Accordingly, the stop structure 29 has a sleeve-shaped extension 39 which protrudes from the plunger base body 31 and is positioned concentrically to the plunger circumference.
  • the hydraulic-side filling chamber 33 extends continuously around the sleeve-shaped extension 39 of the pressure piston 5.
  • radial webs 41 protrude in a star shape and evenly distributed around the circumference, the radially outer web sides of which by a radial offset Ar ( Figure 5) within the pressure piston circumference are arranged.
  • a radial offset Ar Figure 5
  • the pressure piston 5 is shown on its gas side (that is to say the upper side). Accordingly, the gas-side stop structure 29 is constructed essentially identically to the hydraulic-side stop structure 29 (FIG. 5).
  • the sleeve-shaped extension 39 formed both on the gas side and on the flydraulic side of the pressure piston 5 delimits a blind hole-like recess 40 radially on the inside in FIGS. 2 or 3.
  • a filling opening 43 is made in the outer tube 3 in a tapping step I.
  • evacuation step II in which the interior of the gas piston reservoir is evacuated from air.
  • a filling step III (FIG. 8) is carried out, in which the annular gap 13 and the gas space 9 in the inner tube 1 connected to it flow-metrologically connected with gas, in particular nitrogen, are filled via the filling opening 43 formed on the side of the outer tube 3 will.
  • the filling opening 43 is closed in a closing step IV, for example welded shut.
  • Oil inlet 21 Hydraulic line 23 Gas piston accumulator housing 25 Hydraulic-side pipe end 27 Gas-side pipe end

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gaskolbenspeicher mit einer Kolben-Zylinder-Einheit, deren Hydraulikraum (7) mit einer Hydraulikleitung (21) verbindbar ist, wobei auf den Hydraulikraum (7) ein mit einer Vorspannkraft (FV) vorgespannter Druckkolben (5) einwirkt, um die Hydraulikflüssigkeit in der Hydraulikleitung (21) mit einem Speicherdruck (pS) zu beaufschlagen, wobei die Vorspannkraft (FV) durch einen Gasdruck (pGas) in einem Gasraum (9) erzielt ist, der über den Druckkolben (5) vom Hydraulikraum (7) abgetrennt ist. Erfindungsgemäß ist der Gaskolbenspeicher doppelwandig ausgeführt, und zwar mit einem Innenrohr (1), in dem der Druckkolben (5) axial geführt ist, und mit einem Außenrohr (3), das das Innenrohr (1) unter Bildung eines Ringspalts (13) umzieht.

Description

Gaskolbenspeicher sowie Verfahren zur Gas-Befüllung eines Gaskolbenspeichers
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft einen Gaskolbenspeicher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Gas-Befüllung eines solchen Gaskol benspeichers nach dem Anspruch 9.
Ein gattungsgemäßer Gaskolbenspeicher ist als eine Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet, deren Hydraulikraum mit einer Hydraulikleitung verbindbar ist. Auf den Hydraulikraum wirkt ein mit einer Vorspannkraft vorgespannter Druckkolben ein, um die Hydraulikflüssigkeit in der Hydraulikleitung mit ei nem Speicherdruck zu beaufschlagen. Die Vorspannkraft wird durch einen Gasdruck in einem Gasraum erzielt, der über den Druckkolben vom Hydrau likraum abgetrennt ist.
Der aus dem Stand der Technik bekannte Gaskolbenspeicher ist einwandig mit einer Zylinderwand aufgebaut, an deren oberer Ringschulter ein Füllventil eingebaut ist. An die Zylinderwand des einwandigen Gaskolbenspeichers sind hohe Anforderungen gestellt: Einerseits bildet der Innenumfang der Zy linderwand eine Kolben-Lauffläche, entlang der sich der Druckkolben im La- de-/Entladevorgang des Gaskolbenspeichers axial verstellt. Andererseits wirkt die Zylinderwand des Gaskolbenspeichers in Doppelfunktion auch als eine lasttragende Struktur, so dass deren Wandstärke sowie deren Material auswahl entsprechend angepasst werden muss. Zudem ist der Verbau eines Füllventils im Gaskolbenspeicher mit hohem Fertigungsaufwand sowie ho hen Kosten verbunden. Aus der US 3 287 008 A sind ein Stoßdämpfer sowie ein Verfahren zum Druckaufbau im Stoßdämpfer bekannt. Aus der DE 36 03 075 A1 ist eine Gasfeder bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Gaskolbenspeicher bereitzu stellen, der im Vergleich zum Stand der Technik mit reduziertem Fertigungs aufwand bereitstellbar ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 9 gelöst. Bevor zugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist der Gaskolben speicher nicht mehr einwandig, sondern vielmehr doppelwandig ausgeführt, und zwar mit einem Innenrohr, in dem der Druckkolben axial geführt ist, und einem Außenrohr, dass das Innenrohr unter Bildung eines Ringspalts mit Abstand umzieht. Auf diese Weise bildet das Innenrohr in erster Linie die Kolben-Lauffläche für den Druckkolben. Das Außenrohr wirkt dagegen funk tionell unabhängig vom Innenrohr schwerpunktmäßig als lasttragende Struk tur.
In einer technischen Umsetzung kann der Druckkolben das Rohrinnere des Innenrohrs in den Hydraulikraum und den Gasraum unterteilen. Der Ring spalt zwischen Innen- und Außenrohr ist flüssigkeits- und druckdicht vom Hydraulikraum abgetrennt. Demgegenüber ist der Ringspalt strömungstech nisch mit dem Gasraum in Verbindung. Beispielhaft kann zumindest ein Strömungsdurchlass bereitgestellt sein, mit dem der im Innenrohr gebildete Gasraum mit dem Ringspalt strömungstechnisch verbunden ist.
Bei einer solchen Konstruktion kann eine Befüllmethode angewendet wer den, die in ähnlicher Form im Bereich einer Stoßdämpferfertigung Anwen dung findet. So kann der Gaskolbenspeicher zunächst vollständig und druck los montiert werden. Anschließend kann das Außenrohr in einem Anstich- Schritt angestochen werden. Durch das Anstich-Loch im Außenrohr kann der Ringspalt sowie der strömungstechnisch damit verbundene Gasraum evaku- iert werden. Im Anschluss an diese Evakuierung kann der Gasraum mit Stickstoff befüllt werden. Nach erfolgter Stickstoff-Befüllung kann das An stich-Loch durch einen Schweißpunkt oder ähnliches wieder verschlossen werden. Aufgrund der Doppelwandigkeit des Gaskolbenspeichers bietet sich diese Art der Befüllung besonders an, da das Außenrohr keine Funktionsflä che (das heißt Druckkolben-Lauffläche) mehr darstellt und eine Verformung des Außenrohrs durch den Einstich-Prozessschritt nicht mehr funktionsrele vant ist.
Mittels der Erfindung ist somit ein schneller, einfacher sowie großserientaug licher Befüllprozess ohne Bereitstellung eines Füllventils ermöglicht. Zudem kann das Gehäuse des Gaskolbenspeichers vollständig verschweißt werden, wie etwa ein Stoßdämpfer. Dabei können Dichtringe zwischen Gehäuseteilen wegfallen und ist das Gaskolbenspeicher-Gehäuse vollständig permeations frei realisierbar. Ferner kann der Vorspanndruck des Gasfederkolbens (auf grund geringer Toleranzen) exakt eingestellt werden. Zudem kann ein als mechanischer Anschlag wirkender Sicherungsring weggelassen werden.
In einer Weiterbildung kann der Hydraulikraum des Innenrohrs in der Axial richtung durch einen hydraulikseitigen Zylinderboden des Gaskolbenspei chers begrenzt sein. In dem hydraulikseitigen Zylinderboden ist die Mündung (Ölzulauf) der Hydraulikleitung ausgebildet. Demgegenüber kann der im In nenrohr befindliche Gasraum in der Axialrichtung durch einen gasseitigen Zylinderboden des Gaskolbenspeichers begrenzt sein. Der gasseitige Zylin derboden und der hydraulikseitige Zylinderboden sind an den gegenüberlie genden Gaskolbenspeicher-Stirnseiten angeordnet. Beide Zylinderböden (oder zumindest einer davon) können als mechanische Kolben-Anschläge für den Druckkolben wirken. Zudem können die beiden Zylinderböden zusam men mit dem Außenrohr ein äußeres Druckkolbenspeicher-Gehäuse bilden, in dem das Außenrohr materialeinheitlich und/oder einstückig in die beiden axial gegenüberliegenden Zylinderböden übergeht.
Eine formstabile Befestigung des Innenrohrs im Gaskolbenspeicher ist im Hinblick auf eine einwandfreie Betriebsfähigkeit von großer Bedeutung. Vor diesem Hintergrund kann ein hydraulikseitiges Rohrende des Innenrohrs in Richtung auf den hydraulikseitigen Zylinderboden konisch aufgeweitet sein, um den Ringspalt zu überbrücken. Das konisch aufgeweitete hydraulikseitige Rohrende des Innerohres kann am Innenumfang des Außenrohrs und/oder am hydraulikseitigen Zylinderboden befestigt sein.
Zudem kann das Innenrohr an seinem gasseitigen Rohrende ebenfalls ko nisch aufgeweitet sein, wodurch der Ringspalt überbrückt werden kann. In diesem Fall kann auch das gasseitige Rohrende am Innenumfang des Au ßenrohrs und/oder am gasseitigen Zylinderboden befestigt sein. Der Strö mungsdurchlass zwischen dem Radialspalt und dem Gasraum kann bevor zugt im konisch aufgeweiteten gasseitigen Rohrende des Innenrohrs ausge bildet sein.
Erfindungsgemäß bildet der Innenumfang des Innenrohrs die Druckkolben- Lauffläche, während das Außenrohr funktionell entkoppelt vom Druckkolben ist. Die im Innenrohr gebildete Druckkolben-Lauffläche kann bevorzugt kom plett glattzylindrisch ausgebildet sein, und zwar ohne eine Ringnut zur An ordnung eines Sicherungsrings, der im Stand der Technik als mechanischer Druckkolben-Anschlag wirkt. In diesem Fall ist in einem vollständig entleerten Zustand der Druckkolben mit der im Gasraum generierten Vorspannkraft in Druckanlage gegen den hydraulikseitigen Zylinderboden gedrückt. Bei einer übermäßig großen Druckanlagefläche zwischen dem Druckkolben und dem hydraulikseitigen Zylinderboden besteht die Problematik, dass der Druckkol ben aufgrund eines Saugnapfeffekts dazu neigt, am hydraulikseitigen Zylin derboden anzuhaften. Dies kann zu Druckspitzen und/oder Druckschwan kungen im Hydraulikbetrieb führen. Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, wenn die, dem hydraulikseitigen Zylinderboden zugewandte Kolbenfläche aufgeteilt ist in eine axial zurückgesetzte Grundfläche, von der eine An schlagstruktur über einen Axialversatz vorragt. Im vollständig entleerten Zu stand kann daher nicht die gesamte Druckkolbenfläche großflächig in Druck anlage mit dem hydraulikseitigen Zylinderboden sein, sondern lediglich die flächenkleinere Anschlagstruktur. Besonders bevorzugt ist es, wenn im ent leerten Zustand die Anschlagstruktur des Druckkolbens zusammen mit dem hydraulikseitigen Zylinderboden und dem Innenrohr eine Einfüllkammer be grenzt. Bei einem erneuten Ladevorgang des Gasdruckspeichers kann Hyd raulikflüssigkeit von der Hydraulikleitung zunächst in die Einfüllkammer ein strömen, um ein Loslösen des (am hydraulikseitigen Zylinderboden anhaf tenden) Druckkolbens vom hydraulikseitigen Zylinderboden zu unterstützen.
Alternativ zu einem entleerten Zustand kann der Gaskolbenspeicher nach einem Ladevorgang vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt sein. Im voll ständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zustand ist der Druckkolben entge gen der Vorspannkraft bis in Druckanlage gegen den gasseitigen Zylinder boden gedrückt. Bei einer übermäßig großen Kontaktfläche zwischen dem Druckkolben und dem gasseitigen Zylinderboden besteht ebenfalls die Prob lematik, dass aufgrund eines Saugnapfeffektes der Druckkolben auch nach Abschluss des Ladevorgangs (das heißt mit Beginn eines Entladevorgangs) zunächst am gasseitigen Zylinderboden haften bleibt. Um beim Start eines Entladevorgangs ein Loslösen des Druckkolbens von dem gasseitigen Zylin derboden zu unterstützen, kann der Druckkolben an seiner Gasseite aufge teilt sein, in eine axial zurückgesetzte Grundfläche, von der eine Anschlags truktur über einen Axialversatz vorragt.
Im vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zustand (das heißt Druckkol ben ist in Druckanlage mit dem gasseitigen Zylinderboden) kann die An schlagstruktur zusammen mit dem gasseitigen Zylinderboden und dem In nenrohr eine Einfüllkammer begrenzen. Mit dem Start des Entladevorgangs kann sich Gas vom Ringspalt über den Strömungsdurchlass bis in das Innen rohr hinein entspannen und in die gasseitige Einfüllkammer einströmen, wodurch der Druckkolben vom gasseitigen Zylinderboden losgelöst wird.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Aufstandsfläche des Druckkolbens am jeweiligen Zylinderboden durch eine besondere Kolbengeometrie auf ein Mi nimum reduziert ist. Dennoch ist zu gewährleisten, dass eine gleichmäßige Kraftübertragung der auf den Druckkolben wirkenden Kräfte erfolgt, so dass der Druckkolben selbst nur einer geringen Durchbiegungsbelastung ausge- setzt wird. Beispielhaft kann als Kolbenmaterial im Hinblick auf einen Kolben- Leichtbau aus Faserverbundkunststoff hergestellt sein.
Vor diesem Hintergrund kann die am Druckkolben ausgebildete Anschlags truktur einen von der Druckkolben-Grundfläche vorragenden hülsenförmigen Fortsatz aufweisen. Der hülsenförmige Fortsatz kann bevorzugt konzentrisch zum Druckkolben-Umfang und/oder koaxial zu einer Gaskolbenspeicher- Längsachse angeordnet sein. In diesem Fall kann sich die gasseiti ge/hydraulikseitige Einfüllkammer in der Umfangsrichtung durchgängig ring förmig um den hülsenförmigen Fortsatz erstrecken. Im Hinblick auf eine wei tere Vergleichmäßigung der Kraftübertragung ist es bevorzugt, wenn die An schlagstruktur zusätzliche Radialstege aufweist, die vom Außenumfang des hülsenförmigen Fortsatzes abragen. Deren radial äußere Stegseiten sind um einen Radialversatz innerhalb des Druckkolbenumfangs angeordnet, um eine in Umfangsrichtung durchgängig offene Einfüllkammer zu gewährleisten.
Der hülsenförmige Fortsatz der Anschlagstruktur des Druckkolbens kann radial innen eine sacklochartige Vertiefung definieren. Im vollständig von Hydraulikflüssigkeit entleerten Zustand oder im vollständig mit Hydraulikflüs sigkeit gefüllten Zustand kann die freie ringförmige Stirnseite des hülsenför migen Fortsatzes der Druckkolben-Anschlagstruktur in Druckanlage mit dem jeweiligen Zylinderboden sein. Von daher ist die sacklochartige Vertiefung im vollständig von Hydraulikflüssigkeit entleerten Zustand oder im vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zustand fluiddicht entkoppelt von der radial außerhalb des hülsenförmigen Fortsatzes befindlichen Einfüllkammer.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefüg ten Figuren beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 in einer Schnittdarstellung einen Gaskolbenspeicher; Fig. 2 und 3 jeweils Teilschnittdarstellungen des Gaskolbenspei chers in unterschiedlichen Betriebspositionen;
Fig. 4 bis 6 jeweils unterschiedliche Ansichten des Druckkolbens; sowie
Fig. 7 und 8 Ansichten, die Prozessschritte zur Gas-Befüllung des
Gaskolbenspeichers veranschaulichen. In der Fig. 1 ist ein Gaskolbenspeicher gezeigt, der als eine Kolben-Zylinder- Einheit ausgebildet ist. Der Gaskolbenspeicher ist in der Fig. 1 doppelwandig mit einem Innenrohr 1 und einem Außenrohr 3 ausgebildet.
Im Innenrohr 1 ist ein Druckkolben 5 axial geführt. Der Druckkolben 5 unter- teilt das Rohrinnere des Innenrohrs 1 in einen unteren Flydraulikraum 7 und einen oberen Gasraum 9. Das Innenrohr 1 ist mit einem Radialabstand unter Bildung eines Ringspalts 13 von dem Außenrohr 3 beabstandet.
In der Fig. 1 ist der im Innenrohr 1 befindliche Gasraum 9 in Axialrichtung nach oben durch einen gasseitigen Zylinderboden 15 begrenzt. In gleicher Weise ist der im Innenrohr 1 befindliche Hydraulikraum 7 in Axialrichtung nach unten durch einen hydraulikseitigen Zylinderboden 17 begrenzt, in dem eine Mündung (Ölzulauf) 19 einer Hydraulikleitung 21 ausgebildet ist. Die beiden Zylinderböden 15, 17 bilden zusammen mit dem Außenrohr 3 ein äu- ßeres zylindrisches Gaskolbenspeicher-Gehäuse 23.
Wie aus den Fig. 1, 2, und 3 weiter hervorgeht, ist ein hydraulikseitiges Rohrende 25 des Innenrohrs 1 in Richtung auf den hydraulikseitigen Zylin derboden 17 konisch ausgeweitet, wodurch der Ringspalt 13 radial nach au- ßen überbrückt ist. Das konisch ausgeweitete, hydraulikseitige Rohrende 25 ist in druckfester sowie flüssigkeitsdichter Schweißverbindung am Inneneck bereich zwischen dem Außenrohr 3 und dem hydraulikseitigen Zylinderbo den 17 verschweißt. In gleicher Weise ist ein gasseitiges, oberes Rohrende 27 in Richtung auf den gasseitigen Zylinderboden 15 konisch ausgeweitet, wodurch der Ring spalt 13 radial nach außen überbrückt wird. Das konisch ausgeweitete gas seitige Rohrende 27 ist in der Fig. 1 oder 3 am Inneneckbereich zwischen dem Außenrohr 3 und dem gasseitigen Zylinderboden 15 befestigt. Auf diese Weise ergibt sich insgesamt eine formstabile Doppelwandstruktur, bei der im Vergleich zu einer Einfachwandstruktur ein geringerer Materialeinsatz erfor derlich ist.
Der als Druckkolben-Lauffläche wirkende Innenumfang des Innenrohrs 1 ist komplett glattzylindrisch zwischen den beiden Rohrenden 25, 27 ausgebildet.
In der Fig. 3 ist der Gaskolbenspeicher nach einem Entladevorgang in einem vollständig ölleeren Zustand gezeigt. Demzufolge ist der Druckkolben 5 durch eine Vorspannkraft Fv, die durch einen Gasdruck pgas im Gasraum 9 erzeugt wird, in Druckanlage gegen den hydraulikseitigen Zylinderboden 17 gedrückt. Bei einer übermäßig großen Kontaktfläche zwischen dem Druck kolben 5 und dem hydraulikseitigen Zylinderboden 17 kann es beim Start eines Ladevorgangs zu einer Haftverbindung (aufgrund eines Saugnapfef fekts) zwischen dem Druckkolben 5 und dem hydraulikseitigen Zylinderbo den 17 kommen. Um beim Start des Ladevorgangs ein Loslösen des Druck kolbens 5 vom hydraulikseitigen Zylinderboden 17 zu unterstützen, weist der Druckkolben 5 eine flächenkleine Anschlagstruktur 29 auf, die über einen Axialversatz Aa (Figur 1) von einem axial zurückgesetzten Kolben- Grundkörper 31 abragt. Im vollständig entleerten Zustand gemäß der Fig. 3 ist der Druckkolben 5 daher über seine flächenkleine Anschlagstruktur 29 auf dem hydraulikseitigen Zylinderboden 17 abgestützt. Wie aus der Fig. 3 weiter hervorgeht, ist im ölleeren Zustand zwischen dem Kolben-Grundkörper 31 , der Anschlagstruktur 29, dem Innenrohr-Innenumfang sowie dem hydraulik seitigen Zylinderboden 17 eine Hydraulik-Einfüllkammer 33 definiert. Beim Start des Ladevorgangs strömt daher Hydraulikflüssigkeit von der Hydraulik leitung 21 zunächst in die Einfüllkammer 33 ein, um ein Loslösen des Druck kolbens 5 vom hydraulikseitigen Zylinderboden 17 zu unterstützen. In der Fig. 2 ist der Gaskolbenspeicher nach einem erfolgten Ladevorgang vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt. Entsprechend ist in der Fig. 2 der Druckkolben 5 entgegen der Vorspannkraft Fv in Druckanlage gegen den gasseitigen Zylinderboden 15 gedrückt. Der Druckkolben 5 weist an seiner Gasseite ebenfalls eine um einen Axialversatz Aa vom Kolben-Grundkörper 31 vorragende Anschlagstruktur 29 (Figur 1) auf. In der Fig. 2 definiert die Anschlagstruktur 29 zusammen mit dem Innenrohr-Innenumfang, dem Kol- ben-Grundkörper 31 sowie dem gasseitigen Zylinderboden 15 eine gasseiti ge Einfüllkammer 35. Mit dem Start eines Entladevorgangs entspannt sich das Gas und strömt vom Ringspalt 13 über den Strömungsdurchlass 10 in das Innenrohr 1 und weiter in die gasseitige Einfüllkammer 35 ein, um ein Loslösen des Druckkolbens 5 vom gasseitigen Zylinderboden 15 zu unter stützen. Der Druckkolben 5 weist daher beidseitig, das heißt sowohl auf sei ner Hydraulikseite als auch auf seiner Gasseite jeweils eine flächenreduzier te Anschlagstruktur 29 auf, die mit dem zugeordneten Zylinderboden 15, 17 in Anschlag bringbar ist.
Gemäß der Fig. 4 weist der Druckkolben 5 an seinem Kolben-Außenumfang eine umlaufende Kolbenringdichtung 37 auf, um ein leichtgängiges axiales Verstellen des Druckkolbens 5 entlang der Druckkolben-Lauffläche im Innen rohr 1 zu gewährleisten.
In der Fig. 5 ist die Anschlagstruktur 29 an der Gasseite (das heißt Untersei te) des Druckkolbens 5 gezeigt. Demzufolge weist die Anschlagstruktur 29 einen vom Druckkolben-Grundkörper 31 vorragenden hülsenförmigen Fort satz 39 auf, der konzentrisch zum Druckkolben-Umfang positioniert ist. Die hydraulikseitige Einfüllkammer 33 erstreckt sich durchgängig ringförmig um den hülsenförmigen Fortsatz 39 des Druckkolbens 5. Am Außenumfang des hülsenförmigen Fortsatzes 39 ragen sternförmig sowie gleichmäßig um fangsverteilt Radialstege 41 ab, deren radial äußere Stegseiten um einen Radialversatz Ar (Figur 5) innerhalb des Druckkolben-Umfangs angeordnet sind. In der Fig. 6 ist der Druckkolben 5 an seiner Gasseite (das heißt Oberseite) gezeigt. Demzufolge ist die gasseitige Anschlagstruktur 29 im Wesentlichen baugleich aufgebaut wie die hydraulikseitige Anschlagstruktur 29 (Fig. 5). Der sowohl an der Gasseite als auch an der Flydraulikseite des Druckkol bens 5 ausgebildete hülsenförmige Fortsatz 39 begrenzt in den Figuren 2 oder 3 radial innen eine sacklochartige Vertiefung 40. Im vollständig von Hydraulikflüssigkeit entleerten Zustand (Figur 3) oder im vollständig mit Hyd raulikflüssigkeit gefüllten Zustand (Figur 2) ist die freie ringförmige Stirnseite des jeweiligen hülsenförmigen Fortsatzes 39 der Druckkolben- Anschlagstruktur 29 in Druckanlage mit dem jeweiligen Zylinderboden 15, 17. Von daher ist in der Figur 2 oder 3 die sacklochartige Vertiefung 40 im vollständig von Hydraulikflüssigkeit entleerten Zustand oder im vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllten Zustand vollständig fluiddicht entkoppelt von der radial außerhalb des hülsenförmigen Fortsatzes 39 befindlichen Einfüll kammer 33, 35.
Anhand der Figuren 7 und 8 werden Prozessschritte zur Gas-Befüllung des Gaskolbenspeichers veranschaulicht. Demzufolge wird in einem Anstich schritt I eine Füllöffnung 43 in das Außenrohr 3 eingebracht. Anschließend erfolgt ein Evakuierungsschritt II, bei dem der Innenraum des Gaskolben speichers von Luft evakuiert wird. Nach Abschluss des Evakuierschrittes II wird ein Füllschritt III (Fig. 8) durchgeführt, bei dem über die seitlich am Au ßenrohr 3 ausgebildete Füllöffnung 43 der Ringspalt 13 und der damit strö mungstechnisch verbundene Gasraum 9 im Innenrohr 1 mit Gas, insbeson dere Stickstoff, befüllt werden. Nach dem Füllvorgang wird in einem Schließ schritt IV die Füllöffnung 43 geschlossen, etwa zugeschweißt.
BEZUGSZEICHEN
1 Innenrohr
3 Außenrohr 5 Druckkolben
7 Hydraulikraum 9 Gasraum 13 Ringspalt 15 gasseitiger Zylinderboden 17 hydraulikseitiger Zylinderboden
19 Ölzulauf 21 Hydraulikleitung 23 Gaskolbenspeicher-Gehäuse 25 hydraulikseitiges Rohrende 27 gasseitiges Rohrende
29 Anschlagstruktur 31 Kolben-Grundkörper 33 hydraulikseitige Einfüllkammer 35 gasseitige Einfüllkammer 37 Kolbendichtring
39 hülsenförmiger Fortsatz
40 sacklochartige Vertiefung
41 Radialstege Aa Axialversatz DG Radialversatz
Pgas Gasdruck
PS Speicherdruck
Fv Vorspannkraft
I bis IV Prozessschritte

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
Gaskolbenspeicher mit einer Kolben-Zylinder-Einheit, deren Hydraulik raum (7) mit einer Hydraulikleitung (21) verbindbar ist, wobei auf den Hydraulikraum (7) ein mit einer Vorspannkraft (Fv) vorgespannter Druckkolben (5) einwirkt, um die Hydraulikflüssigkeit in der Hydrauliklei tung (21) mit einem Speicherdruck (ps) zu beaufschlagen, wobei die Vorspannkraft (Fv) durch einen Gasdruck (pGas) in einem Gasraum (9) erzielt ist, der über den Druckkolben (5) vom Hydraulikraum (7) abge trennt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskolbenspeicher dop pelwandig ausgeführt ist, und zwar mit einem Innenrohr (1), in dem der Druckkolben (5) axial geführt ist, und mit einem Außenrohr (3), das das Innenrohr (1) unter Bildung eines Ringspalts (13) umzieht.
Gaskolbenspeicher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkolben (5) das Rohrinnere des Innenrohrs (1) in den Hydrau likraum (7) und den Gasraum (9) unterteilt, und/oder dass der Ringspalt (13) flüssigkeits- und druckdicht vom Hydraulikraum (7) abgetrennt ist und strömungstechnisch mit dem Gasraum (9) verbunden ist, und/oder dass insbesondere der im Innenrohr (1) gebildete Gasraum (9) über zumindest einen Strömungsdurchlass (10) mit dem Ringspalt (13) ver bunden ist.
Gaskolbenspeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikraum (7) des Innenrohrs (1) in Axialrichtung durch einen hydraulikseitigen Zylinderboden (17) des Gaskolbenspei chers begrenzt ist, und/oder dass der Gasraum (9) des Innenrohrs (1) in Axialrichtung durch einen gasseitigen Zylinderboden (15) des Gas kolbenspeichers begrenzt ist, und/oder dass der hydraulikseitige Zylin derboden (17) und/oder der gasseitige Zylinderboden (15) als mechani sche Kolben-Anschläge für den Druckkolben (5) wirken, und/oder dass das Außenrohr (3) materialeinheitlich und/oder einstückig in die beiden axial gegenüberliegenden Zylinderböden (15, 17) übergeht, und zwar unter Bildung eines Gaskolbenspeicher-Gehäuses (23). Gaskolbenspeicher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (1 ) ein hydraulikseitiges Rohrende (25) auf weist, das am Innenumfang des Außenrohrs (3) und/oder am hydraulik seitigen Zylinderboden (17) befestigt ist, und dass insbesondere das hydraulikseitige Rohrende (25) in Richtung auf den hydraulikseitigen Zylinderboden (17) konisch aufgeweitet ist, und zwar insbesondere un ter radialer Überbrückung des Ringspalts (13).
Gaskolbenspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (1 ) ein gasseitiges Rohrende (27) aufweist, das am Innenumfang des Außenrohrs (3) und/oder am gasseitigen Zylinderboden (15) befestigt ist, und dass ins besondere das gasseitige Rohrende (27) in Richtung auf den gasseiti gen Zylinderboden (15) konisch aufgeweitet ist, und zwar insbesondere unter radialer Überbrückung des Ringspalts (13), und/oder dass insbe sondere der Strömungsdurchlass (10) im konisch aufgeweiteten gassei tigen Rohrende (27) des Innenrohrs (1 ) ausgebildet ist.
Gaskolbenspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem entleerten Zustand der Druckkolben (5) mit der Vorspannkraft (Fv) gegen den hydraulikseitigen Zylinderboden (17) gedrückt ist, oder dass in einem vollständig mit Hyd raulikflüssigkeit gefüllten Zustand der Druckkolben (5) entgegen der Vorspannkraft (Fv) gegen den gasseitigen Zylinderboden (15) gedrückt ist, und dass insbesondere der Druckkolben (5) einen axial zurückge setzten Kolben-Grundkörper (31 ) aufweist, an dessen Gasseite und/oder an dessen Hydraulikseite eine im Vergleich zur jeweiligen Druckkolben-Seite flächenreduzierte Anschlagstruktur (29) über einen Axialversatz (Aa) vorragt, und dass die Anschlagstruktur (29) des Druckkolbens (5) in Druckanlage mit dem jeweiligen Zylinderboden (15, 17) bringbar ist. Gaskolbenspeicher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die am Druckkolben (5) ausgebildete Anschlagstruktur (29) einen von dem Kolben-Grundkörper (31) vorragenden hülsenförmigen Fortsatz (39) aufweist, dessen Außendurchmesser kleiner als der Umfangs- Durchmesser des Druckkolbens (5) ist und dessen freie ringförmige Stirnseite mit dem Zylinderboden (15, 17) in Druckanlage bringbar ist, und dass insbesondere der hülsenförmige Fortsatz (39) konzentrisch zum Druckkolben-Umfang und/oder koaxial zu einer Gaskolbenspei- cher-Längsachse angeordnet ist.
Gaskolbenspeicher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im entleerten Zustand der Druckkol ben (5) zusammen mit dem hydraulikseitigen Zylinderboden (17) eine hydraulikseitige Einfüllkammer (33) begrenzt, und dass bei einem La devorgang des Gasdruckspeichers Hydraulikflüssigkeit von der Hydrau likleitung (21) in die hydraulikseitige Einfüllkammer (33) einströmt, um ein Loslösen des Druckkolbens (5) von dem hydraulikseitigen Zylinder boden (17) zu unterstützen, oder dass im vollständig mit Hydraulikflüs sigkeit gefüllten Zustand der Druckkolben (5) zusammen mit dem gas seitigen Zylinderboden (15) eine gasseitige Einfüllkammer (35) be grenzt, und dass bei einem Entladevorgang des Gaskolbenspeichers sich das Gas vom Ringspalt (13) über den Strömungsdurchlass (10) in das Innenrohr (1) und weiter in die gasseitige Einfüllkammer (35) ent spannt und einströmt, um ein Loslösen des Druckkolbens (5) von dem gasseitigen Zylinderboden (15) zu unterstützen.
Verfahren zur Gas-Befüllung eines Gaskolbenspeichers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Füllschritt (III), bei dem über ei ne seitlich am Außenrohr (3) ausgebildete Füllöffnung (43) der Ring spalt (13) und der damit strömungstechnisch verbundene Gasraum
(9) im Innenrohr (1) mit Gas, insbesondere Stickstoff, befüllt werden, und mit einem Schließschritt (IV), bei dem nach dem Füllvorgang die Füll öffnung (43) geschlossen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Füll schritt (III) prozesstechnisch ein Anstichschritt (I) vorgelagert ist, bei dem die Füllöffnung (43) in das Außenrohr (3) eingebracht wird, und/oder im Schließschritt (IV) die Füllöffnung (43) zugeschweißt wird, und/oder nach dem Anstichschritt (I) sowie vor dem Füllschritt (III) ein
Evakuierungsschritt (II) erfolgt, bei dem der Innenraum des Gaskolben speichers von Luft evakuiert wird.
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